杜海東, 許世蒙, 何成銘

(1. 裝甲兵工程學(xué)院技術(shù)保障工程系, 北京 100072; 2. 裝甲兵工程學(xué)院基礎(chǔ)部, 北京 100072)

在裝備設(shè)計階段，保障性指標(biāo)的確定是裝備綜合保障的重要工作內(nèi)容之一，也是進(jìn)行裝備保障性分析以及確定和優(yōu)化保障方案的重要基礎(chǔ)。作為裝備論證的重要組成部分，裝備保障性指標(biāo)的確定，主要包括保障性參數(shù)選取和量化。在選取和確定保障性指標(biāo)時，應(yīng)考慮型號研制的實(shí)際背景以及裝備發(fā)展趨勢。若指標(biāo)設(shè)置過高，將使裝備設(shè)計的難度、開發(fā)周期以及研制費(fèi)用大幅增加，甚至導(dǎo)致裝備開發(fā)失敗；指標(biāo)設(shè)置過低，新研裝備不能滿足作戰(zhàn)和使用要求。因此，定出既先進(jìn)又可行，既能滿足使用方要求，又能在可承受經(jīng)濟(jì)費(fèi)用范圍內(nèi)的保障性指標(biāo)，對于新研裝備來說十分重要。王博等[1]提出可參考相似產(chǎn)品的使用數(shù)據(jù)作為新研裝備保障性數(shù)據(jù)的依據(jù)，但由于使用方對新裝備有了更高更多的要求，因此舊裝備的歷史數(shù)據(jù)并不能全部滿足裝備研制需求。常春賀等[2]提出基于多屬性決策的相似折中系數(shù)法來確定復(fù)雜系統(tǒng)測試性指標(biāo)，考慮到新裝備缺乏可靠的基準(zhǔn)比較系統(tǒng)，因此利用傳統(tǒng)的解析方法很難科學(xué)有效地確定相關(guān)保障性指標(biāo)。本文通過構(gòu)建保障性指標(biāo)體系，進(jìn)一步明確了裝備保障性論證要求，利用系統(tǒng)仿真技術(shù)，模擬裝備平時使用與維修活動，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，初步確定了新研武器裝備的總體保障性水平，可為裝備系統(tǒng)RMS(可靠性、維修性、保障性)的詳細(xì)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

1 保障性指標(biāo)要求

1.1 指標(biāo)分析

明確保障性指標(biāo)要求是確定裝備保障性指標(biāo)的先決條件。保障性是系統(tǒng)設(shè)計特性和計劃資源能夠滿足平時和戰(zhàn)時使用要求的能力，雖然它是在裝備的研制階段賦予裝備的一種屬性，但與其他設(shè)計特性有著很大的不同。首先，從屬性的等級來講，保障性指標(biāo)一般作為裝備的綜合性指標(biāo)，與可靠性、維修性、安全性、測試性等并不是并列的指標(biāo)要素，層次要比這些特性的層次更高；其次，其他設(shè)計特性只與系統(tǒng)中的主裝備有關(guān)，而保障性還與裝備研制時所規(guī)劃的保障資源有關(guān)。

1.2 指標(biāo)體系

通過以上分析，并參考相關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)[3-7]，可將裝備保障性指標(biāo)分為裝備使用保障性指標(biāo)、裝備設(shè)計保障性指標(biāo)以及裝備保障資源性指標(biāo)3類,如圖1所示。需要說明的是，本文的研究對象主要針對裝備的質(zhì)量特性指標(biāo)，對于裝備運(yùn)輸性以及物理特性參數(shù)暫未涉及。對裝備來說，使用保障性指標(biāo)主要考察裝備戰(zhàn)備完好性水平、任務(wù)成功率以及平均保障延誤時間，它是裝備使用單位保障能力，裝備本身及子系統(tǒng)可靠性、維修性和保障性，以及保障資源配置水平的綜合體現(xiàn)，它們是綜合性保障參數(shù)，也是本文研究確定的主要指標(biāo)。

圖1 裝備保障性指標(biāo)體系

1.3 計算模型

裝備保障性指標(biāo)體系是可靠性、維修性、保障性指標(biāo)之間相互關(guān)系的綜合體現(xiàn)。在裝備研制論證的早期，開展裝備初始保障性指標(biāo)的確定研究，能夠從整體把握裝備的設(shè)計水平，有效地評估初始保障方案的優(yōu)劣，從而為裝備設(shè)計指標(biāo)的細(xì)化、權(quán)衡和優(yōu)化，以及保障方案的制定奠定基礎(chǔ)。為此，本文將通過數(shù)學(xué)模型解析進(jìn)一步明確指標(biāo)體系中3類指標(biāo)的相互組合關(guān)系。

1) 使用可用度

典型裝備使用可用度為

(1)

它是裝備服役后，與工作時間和日歷時間相關(guān)的可用性參數(shù)。也可表示為[8]

(2)

式中:OT為裝備工作時間;ST為裝備能工作狀態(tài)的備用時間;TT為裝備總預(yù)計使用時間;MTBF為平均故障間隔時間；MTTR為平均修復(fù)性維修時間；TPM為規(guī)定使用期間總預(yù)防性維修時間；TCM為規(guī)定使用期間內(nèi)總修復(fù)性維修時間；ALDT為規(guī)定使用期內(nèi)總管理和后勤不能工作時間。通過模型轉(zhuǎn)換，可建立裝備使用保障性參數(shù)與設(shè)計保障性指標(biāo)的關(guān)系，如式(2)第4部分所示。

2) 任務(wù)成功率

同理，裝備任務(wù)成功率計算模型可表示為

(3)

也可表示為

(4)

等式右邊第1項(xiàng)為任務(wù)可靠度模型，第2項(xiàng)為裝備戰(zhàn)備完好率計算模型。上述模型均可轉(zhuǎn)換為與裝備設(shè)計保障性指標(biāo)相關(guān)的解析計算式[8]。

3) 平均保障延誤時間

裝備保障平均延誤時間(MLDT)是指裝備在規(guī)定的保障條件下，系統(tǒng)等待保障活動平均時間。主要包括平均等待外界幫助的延誤時間(MDTOA)、平均獲取文件資料延誤時間(MDTD)、平均缺乏訓(xùn)練的延誤時間(MDTT)、平均為其他原因而延誤時間(MDTOR)、平均申請反應(yīng)時間(MRRT)、平均供應(yīng)反應(yīng)時間(MSRT)。由此，平均保障延誤時間可表示為

MLDT= MDTOA+MDTD+MDTT+

MDTOR+MRRT+MSRT。

(5)

4) 保障資源利用率和滿足率

保障資源利用率和滿足率主要考察裝備保障資源的利用水平和實(shí)際配套情況。以維修保障器材為例，器材利用率是指維修所實(shí)際消耗器材數(shù)量，與器材倉庫所儲備器材總量之比，而器材滿足率主要是指各級維修保障機(jī)構(gòu)器材庫配備器材種類與實(shí)際消耗種類數(shù)之比。其數(shù)學(xué)關(guān)系式分別為

(6)

(7)

2 保障性仿真模型

2.1 模型需求分析

通過裝備保障性指標(biāo)的分析和體系構(gòu)建，進(jìn)一步明確了新研裝備保障性要求。而仿真主要解決的是保障性指標(biāo)確定問題。這就要求所構(gòu)建的仿真模型能夠準(zhǔn)確模擬裝備的故障規(guī)律，詳細(xì)地描述裝備使用與保障的全過程，精確地預(yù)測滿足裝備保障性要求的維修保障要素。為此，本文構(gòu)建了如圖2所示的仿真模型框架。

圖2 裝備保障系統(tǒng)仿真模型框架

依據(jù)上述模型結(jié)構(gòu)，需從保障對象、保障系統(tǒng)等靜態(tài)特征數(shù)據(jù)以及裝備保障系統(tǒng)運(yùn)行過程2個方面綜合考慮裝備保障性要求。以軍事任務(wù)需求為牽引，從裝備的系統(tǒng)功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過模型結(jié)構(gòu)分解，建立起系統(tǒng)功能底層元素和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)底層元素的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以動態(tài)反映典型任務(wù)對裝備系統(tǒng)需求、部件故障對系統(tǒng)功能的影響及功能的實(shí)現(xiàn)需要哪些部件的支持。從而建立起基于任務(wù)需求、裝備系統(tǒng)組成、維修保障系統(tǒng)三者之間關(guān)系的描述模型，把它作為裝備保障系統(tǒng)仿真模型的一部分，用于描述部件故障對任務(wù)執(zhí)行的影響和故障部件維修時保障資源要求。通過在特定的任務(wù)使用環(huán)境和保障策略下模擬裝備的使用與維修保障情況，從而達(dá)到度量保障性參數(shù)的目的，并將數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果反饋回裝備保障性指標(biāo)論證過程，通過進(jìn)一步的裝備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和RMS參數(shù)權(quán)衡及優(yōu)化，確定裝備最終的保障性設(shè)計指標(biāo)。

2.2 仿真算法

對{τi,i=1,2,…,n}由小到大進(jìn)行排序，得時間序列Γ:0≤τ1≤τ2≤…≤τn。將仿真時間t按上述時間序列Γ的順序分n步推進(jìn)，并設(shè)t=0時各部件都處于正常工作狀態(tài)。仿真時鐘每推進(jìn)一步，就會有一個底事件發(fā)生，即某個部件(組件)是否發(fā)生故障。此步長向前推進(jìn)完畢后，仿真系統(tǒng)將依據(jù)壽命分布函數(shù){F(t)i,i=1,2,…,n}對下一個推進(jìn)時鐘內(nèi)裝備組件或部件是否故障進(jìn)行判斷。根據(jù)裝備部件(組件)可靠性分析，首先定義裝備各組成部分所滿足的可靠性分布函數(shù)，再根據(jù)各部分的組成結(jié)構(gòu)(串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等)，設(shè)置仿真迭代時鐘，利用相關(guān)算法，就可以對裝備此次任務(wù)過程中的故障事件進(jìn)行統(tǒng)計。上述裝備系統(tǒng)在任務(wù)過程中故障生成算法可描述如下：

1) 初始化仿真實(shí)驗(yàn)次數(shù)m=0，N=裝備系統(tǒng)部件或組件數(shù)；

2) 產(chǎn)生n個(0,1)均勻隨機(jī)數(shù){ξi,i=1,2,…,n}；

4) 對{τi}由小到大排序，得到時間序列Γ:0≤τ1≤τ2≤…≤τn；

5) 仿真時間t按序列Γ的順序分n步推進(jìn)；

6) 記錄本次仿真中裝備系統(tǒng)工作時間Tm=ti，導(dǎo)致系統(tǒng)失效的關(guān)鍵部件(組件)，故障次數(shù)記為F(tr)；

7) 進(jìn)入下一推進(jìn)時鐘，重復(fù)步驟1)-7)。

通過以上仿真算法，能夠準(zhǔn)確模擬裝備在使用過程中的故障事件，建立起任務(wù)需求、裝備系統(tǒng)以及維修保障之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，滿足裝備保障性仿真的需求。

2.3 仿真流程

在裝備系統(tǒng)模型開發(fā)過程中，采用Agent建模手段，將組成裝備的部件和組件信息不斷封裝于裝備實(shí)體模型中去，這樣構(gòu)造的裝備實(shí)體就包括各類部件、組件相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)了通過考察部件、組件所服從的可靠性分布規(guī)律從而觸發(fā)裝備在任務(wù)過程中的故障事件，進(jìn)而推動整個維修保障系統(tǒng)的運(yùn)行以及維修保障資源的周轉(zhuǎn)和調(diào)度活動。仿真系統(tǒng)運(yùn)行工作流程如圖3所示。

圖3 裝備使用與保障系統(tǒng)仿真運(yùn)行流程

由圖3可知：通過設(shè)計數(shù)據(jù)統(tǒng)計接口，可記錄裝備在使用過程中的維修保障數(shù)據(jù)，如：通過分析可用裝備數(shù)量與部隊(duì)使用單位裝備總數(shù)考察裝備的使用可用度，根據(jù)維修裝備等待備品備件、維修排隊(duì)時間計算裝備保障延誤時間，依據(jù)器材的消耗情況求得器材利用率及滿足率數(shù)據(jù)等。通過以上數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，能夠達(dá)到評價裝備初始設(shè)計水平和保障編制方案的目的，并以此作為裝備設(shè)計指標(biāo)改進(jìn)和優(yōu)化的依據(jù)。

3 案例分析

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在裝備研制早期，由于很難獲得裝備的詳細(xì)信息，可選擇相似裝備的歷史數(shù)據(jù)作為仿真輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)[9-10]。隨著項(xiàng)目進(jìn)展，當(dāng)越來越多的數(shù)據(jù)可用時，可根據(jù)新研裝備的當(dāng)前數(shù)據(jù)調(diào)整仿真輸入?yún)?shù)值。為此，需對仿真模型所配置數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃和整理，結(jié)合保障性指標(biāo)類型，本文所規(guī)劃的仿真輸入數(shù)據(jù)主要包括任務(wù)參數(shù)、裝備參數(shù)以及保障系統(tǒng)參數(shù)。其中：任務(wù)參數(shù)包括任務(wù)內(nèi)容、任務(wù)時間、沖突處理、任務(wù)約束等；裝備參數(shù)包括裝備數(shù)量、性能參數(shù)、保障特性參數(shù)等；保障系統(tǒng)參數(shù)包括保障活動數(shù)據(jù)、保障組織數(shù)據(jù)、保障資源數(shù)據(jù)等。

3.2 仿真想定

仿真過程中，通過考察組成裝備系統(tǒng)最底層組件或部件的的故障規(guī)律，對系統(tǒng)能否完成規(guī)定任務(wù)進(jìn)行判斷[11-12]。若裝備系統(tǒng)在任務(wù)執(zhí)行過程中不出現(xiàn)故障，則此次任務(wù)成功，裝備返回待命狀態(tài)；若任務(wù)過程中出現(xiàn)故障，則需根據(jù)具體的維修過程判斷能否在規(guī)定的時間內(nèi)修復(fù)，能夠修復(fù)的裝備將繼續(xù)執(zhí)行該次任務(wù)，同時記此次任務(wù)成功，若不能修復(fù)，則此次任務(wù)失敗。對于需要維修的裝備，由于故障明確，所需的保障資源也就能夠確定，這樣能夠準(zhǔn)確模擬裝備的使用與維修保障過程，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)輸出結(jié)果，進(jìn)而確定裝備保障性指標(biāo)。除此之外，本文作了如下想定：

1) 裝備在所執(zhí)行任務(wù)的每個階段，組成裝備系統(tǒng)的組件或部件處于“正?！被颉肮收稀?種狀態(tài)，并假設(shè)各組件和部件的可靠性壽命分布和所需維修時間均服從指數(shù)分布；

2) 對于多階段任務(wù)，各個階段子任務(wù)之間是按時間或階段執(zhí)行的串聯(lián)關(guān)系，在裝備使用過程中，只要有一個階段子任務(wù)失敗，后續(xù)任務(wù)將無法繼續(xù)進(jìn)行，從而導(dǎo)致造成整個任務(wù)失??；

3) 對于N個子系統(tǒng)組成的裝備系統(tǒng)來說，與各個階段子任務(wù)相關(guān)聯(lián)的裝備功能單元之間的關(guān)系也是串聯(lián)的，即裝備在任務(wù)執(zhí)行過程中，只要有一個裝備子單元故障，即認(rèn)為裝備故障；

4) 裝備各子系統(tǒng)之間的失效是相互獨(dú)立的，即不同裝備組成單元失效不會發(fā)生在同一時刻，并且故障單元執(zhí)行的是換件維修。

3.3 仿真結(jié)果分析

現(xiàn)以某型裝甲裝備機(jī)動任務(wù)為例進(jìn)行仿真分析，其相關(guān)參數(shù)配置見表1。

表1 裝備行動部分相關(guān)單元參數(shù)配置

本文研究確定的主要保障性指標(biāo)包括裝備戰(zhàn)備完好率、任務(wù)成功率、平均保障延誤時間以及保障器材利用率，以此來表征某類裝甲裝備初始保障性水平。在AnyLogic軟件平臺上運(yùn)行仿真模型，仿真輸出結(jié)果如圖4-7所示。

圖4 裝備戰(zhàn)備完好率

圖5 裝備任務(wù)成功率

圖6 裝備保障延誤時間

圖7 裝備保障器材利用率

設(shè)定仿真運(yùn)行時長為8 960 h(1 a)，由圖4-6可知：裝備在任務(wù)中的可達(dá)可用度為0.455，裝備任務(wù)成功率約為0.76，全年裝備保障延誤時間約為235 h。由此可以看出：由于裝備的保障性設(shè)計較差，導(dǎo)致該類裝備的總體保障水平較低，需在后續(xù)的保障指標(biāo)設(shè)計過程中進(jìn)行權(quán)衡和優(yōu)化。各類保障器材利用率如圖7所示，以負(fù)重輪為例，器材倉庫初始配置數(shù)量為10個，裝備全年維修保障消耗為12個，由式(6)可知其利用率為1.2，因此在保障過程中需要上級器材倉庫對此類部件進(jìn)行補(bǔ)給；而對于懸掛裝置，其利用率不足0.4，從而造成零部件的積壓和浪費(fèi)。因此，裝備保障性指標(biāo)論證過程中，需科學(xué)規(guī)劃保障資源配置，進(jìn)一步提高裝備的保障性水平。

4 結(jié)論

在裝備研制過程中，保障性指標(biāo)的確定是進(jìn)行保障性分析、明確保障性要求的重要內(nèi)容。由于裝備保障性指標(biāo)的確定考察因素較為復(fù)雜，同時各指標(biāo)之間關(guān)系難以明確；因此，在確定新研武器裝備裝備保障性要求時，需經(jīng)歷一個從初步確定到詳細(xì)設(shè)計的過程，并需要進(jìn)行多方面權(quán)衡和比較分析。通過本文的研究，可為為保障性指標(biāo)的論證提供技術(shù)思路，用于裝備初始保障性水平的評價和分析，從而為進(jìn)一步的詳細(xì)保障性指標(biāo)設(shè)計、權(quán)衡、優(yōu)化以及保障方案編制奠定基礎(chǔ)。

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